5 Codierung diskreter Informationen am Beispiel der ...duepublico.uni-duisburg-essen.de/.../Derivate-5526/09Kapitel5.pdf · DIN-89], die u. a. für das Klartextfeld von Barcodes vorgeschrieben

5 – Codierung diskreter Informationen

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5 Codierung diskreter Informationen am Beispiel der Identtechnik

5.1 Denkansatz auf Basis strukturierter Sensorsysteme

Kapitel 3 und 4 demonstrierten anhand verschiedener Beispiele, dass eine physikali-

sche Messgröße – auch wenn diese nicht direkt magnetisch auswertbar ist – mit ei-

nem galvanomagnetischen Sensorsystem gemessen werden kann, sofern die geo-

metrische Struktur zumindest einer Systemkomponente informationsabhängig beein-

flussbar ist. Jede Strukturvariation, die eine detektierbare Änderung des Magnetfel-

des in der Ebene der sensitiven Systemkomponente hervorruft (s. Kapitel 2.2.2), re-

präsentiert einen zunächst unbekannten, jedoch definierten Wert der Messgröße in-

nerhalb eines normalerweise bekannten Messbereiches. Ist die ursprüngliche Infor-

mation eindeutig aus dem modulierten Magnetfeld zu bestimmen, so ist die Zuord-

nung eineindeutig und zur Realisierung eines Messsystems geeignet.

Die Abbildung einer Messgröße auf die geometrische Struktur eines galvanomagne-

tischen Sensorsystems genügt genau dann der in Kapitel 2.4.1 dargelegten allge-

meinen Definition der Codierung nach DIN 44300 [DIN-88a], wenn jeder definierte

Zustand der Messgröße reproduzierbar eine definierte geometrische Strukturvariante

einer Sensorsystem-Komponente hervorruft oder dieser zugeordnet ist. Ist diese

Voraussetzung erfüllt, so lässt eine derartige Abbildung die gezielte Codierung defi-

nierter, diskreter Informationen zu. Das Prinzip der Strukturvariation ist damit prinzi-

piell auch spiegelbildlich zur Definition von Messsystemen für die Realisierung von

Codier- und Verschlüsselungssystemen einsetzbar.

Das Beispiel der datenträgergebundenen Identtechnik gestattet einen kurzen Einblick

in das Anwendungspotenzial strukturvariierter Komponenten galvanomagnetischer

Sensorsysteme im Bereich der Codierung definierter Informationen. In Anlehnung an

die in Handel, Logistik und Produktion etablierten Barcodes werden Möglichkeiten für

den Aufbau, die Auswertung und die Optimierung nicht-programmierbarer Codes aus

strukturierten magnetisch leitenden Elementen vorgestellt.


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5.2 Codierung für Identifikations- und Informationssysteme

5.2.1 Codierungsarten und Codierungsformen

Codes dienen nahezu ausschließlich der Anpassung einer gegebenen Information an

eine anwendungsspezifische Umgebung, welche aus Daten verarbeitenden Geräten

und Systemen, immateriellen Einflüssen und/oder Personen aufgebaut sein kann. In

einigen Praxisfällen wird diese Hauptfunktion eines Codes durch spezielle Aufgaben

wie etwa einer Kompression oder Verschlüsselung der Ausgangsinformationen er-

gänzt oder ersetzt. Dabei werden heutzutage überwiegend Codes eingesetzt, die

eine maschinelle Verarbeitung der Ursprungsdaten gestatten. Die hierfür zur Verfü-

gung stehenden Codearten sind, obwohl überwiegend numerisch, kaum überschau-

bar. Die derzeit wichtigsten der in der rechnergestützten Datenverarbeitung und in

der Industrie eingesetzten Codearten sind nach [JES-00] der BCD-, der Aiken-, der

Gray-, der Dual- sowie Barcodes in verschiedenen Ausführungen (Kapitel 5.2.2). Die

aufgeführten Codes sind Binärcodes, d. h. die Zeichen sind aus Folgen von Binärzif-

fern ( Bits) aufgebaut. Sie sind daher ideal für eine rechnergestützte Verarbeitung

geeignet. Auch Barcodes mit unterschiedlichen Elementbreiten können Binärcodes

sein, sofern die breiteren Elemente ganzzahlige Vielfache eines Moduls, das nur die

Zustände „hell“ oder „dunkel“ annehmen kann (Bild 5.1 in Kapitel 5.2.1), sind.

Codes werden anhand des physikalischen Prinzips, welches der Erfassung der co-

dierten Zeichen sowie in den meisten Fällen auch dem Verfahren zur Realisierung

zugrunde liegt, in Codierungsformen eingeteilt. Obwohl seit mehr als 100 Jahren

ständig neue Codierungsmaschinen und mit diesen auch neue Codierungsformen

entwickelt werden, erlangten nur wenige Formen in der datenträgergebundenen In-

formationsverarbeitung Bedeutung:

• Eine der ersten Codierungsformen war die mechanische Codierung, welche mitt-

lerweile jedoch kaum noch Beachtung findet. Die bekanntesten Ausführungsfor-

mate sind Lochkarten und Lochstreifen, die mit bis zu acht parallel gestanzten In-

formationsspuren hergestellt wurden.

• Zur elektrischen bzw. elektronischen Codierung zählen heute insbesondere die

als RFID-Systeme bekannten Identifikations- und Informationssysteme auf Basis

der Radiofrequenz-Technik, deren als Transponder, als Tag oder als Smart Label


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bezeichnete Datenträger mit einem integrierten Schaltkreis inklusive Antenne und

Datenspeicher (RAM, ROM oder EEPROM) ausgestattet sind [EBE-02, LEN-01].

Aktive Transponder sind mit einer eigenen Energieversorgung (Batterie oder So-

larzelle) ausgestattet, während passive Transponder die benötigte Energie aus

dem elektrischen oder magnetischen Feld der zugehörigen Schreib-/Leseeinheit

beziehen. Die Datenträger können berührungslos über kleine (passiv bis 1,2 m)

und mittlere (aktiv bis 100 m) Distanzen gelesen und programmiert werden.

RFID-Systeme werden vor allem in der Logistik und in der industriellen Fertigung

zur Steuerung des physischen Materialflusses, aber auch in anderen Bereichen

zur Sicherung und/oder Identifikation, z. B. Wegfahrsperre, eingesetzt.

Ebenso zählen die so genannten Smartcards zur elektronischen Codierung. Die

Kunststoffkarten sind mit einem les- und (wieder-)beschreibbaren Halbleiterchip

versehen, auf dem im Falle der Speicherkarte eine einfache Logikschaltung, bei

der µP-Karte eine Schaltung mit Mikroprozessor für komplexere Anwendungen

realisiert ist [RAN-02]. Chipkarten eignen sich als Identifikationsmedium, wenn

nur einfache Zusatzfunktionen mit wenigen variablen Daten auszuführen sind:

SIM-Karten in Mobilfunktelefonen speichern z. B. neben der eigenen Rufnummer

als Zugangsberechtigung für ein Mobilfunknetz auch modifizierbare Daten wie Te-

lefonbucheinträge, Kurznachrichten im Textformat ( SMS) oder Kalenderdaten.

Chipkarten deutscher Krankenkassen fungieren hingegen als reines Identifikati-

onsmedium für Personen, während Bankkarten ( Geldkarte) und Telefonkarten

lediglich variable, anonyme Daten zur Durchführung einer Zahlfunktion speichern.

• Kunststoff- oder Pappkarten mit einem Magnetstreifen sind die bekannteste Aus-

führung der magnetischen Codierung. Sie dienen vornehmlich der Personeniden-

tifikation und der Legitimation im Kreditgewerbe (BankCard mit Maestro-Funktion

ehem. EC-Karte, Kreditkarten), bei Zeiterfassungs- oder Zugangskontrollsys-

temen. Abmessungen, Lage, Informationsinhalt und -dichte der drei Spuren des

Magnetstreifens sind durch die ISO-Normenreihe 7810 bis 7813 [ISO-95, ISO-00,

ISO-01, ISO-02] geregelt. Folgen getakteter magnetischer Flusswechsel beinhal-

ten die 5- und 7-Bit-codierten Informationen, die in sehr geringem Abstand von

Magnetsensoren (z. B. Hall-Sensoren, vgl. Kapitel 2.1) gelesen werden können.

Weitere Einsatzbereiche sind Zahl- oder Prepaid-Karten im Dienstleistungssektor

– z. B. Park-, Maut- oder Kantinenkarten [VOL-95] – mit anwenderspezifischen

Datenspuren und Formaten.


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Harmonische und akustomagnetische Warensicherungsetiketten sind 1-Bit mag-

netisch codiert. Ein amorpher Metallstreifen ist zusammen mit einem hartmagne-

tischen Metallstreifen, der im „aktiven“ Zustand unmagnetisiert ist, in das Etikett

integriert. Der amorphe Metallstreifen wird durch das elektromagnetische Feld ei-

ner Personenschleuse am Ausgang eines Warenhauses angeregt und erzeugt

ein von der Schleuse detektierbares elektromagnetisches Signal. Durch die Mag-

netisierung des hartmagnetischen Metallstreifens während des Kassiervorgangs

wird die externe Anregung des amorphen Metalls unterbunden – das Etikett ist

deaktiviert [ZEC-99].

Eine Kombination aus optischer und magnetischer Codierung stellen magnetisch-

visuelle Schriften dar. Die visuell lesbaren Zeichen werden mit einer Eisenoxide

enthaltenden Farbe gedruckt. Eine unmittelbar vor dem Lesevorgang durchge-

führte Magnetisierung ermöglicht die magnetosensorische Erfassung [LEN-01].

Magnetschriften werden bislang kaum in der Identtechnik verwendet.

• Die optische Codierung kann, bezogen auf das Gebiet der Identtechnik, grob in

zwei Bereiche aufgeteilt werden: Maschinenlesbare Schriften und Barcodes, die

in Kapitel 5.2.2 behandelt werden. Die Klarschriftlesung, d. h. eine schnelle, si-

chere und eindeutige automatische Identifikation handgeschriebener Information

ist bislang nur unzureichend für spezielle Praxisanwendungen gelungen, z. B. Un-

terschriftenvergleich bei Kreditinstituten. Demgegenüber sind verschiedene stili-

sierte, maschinell lesbare Schriften entwickelt worden. Beispiele hierfür sind zum

einen die Zeichen der CMC-7-Schrift, die ähnlich den Barcodes aus senkrecht zur

Leserichtung angeordneten Strichen gebildet werden, zum anderen die nach

Form, Größe und Abstand genormten Zeichen der OCR-Schriften, siehe [DIN-77,

DIN-89], die u. a. für das Klartextfeld von Barcodes vorgeschrieben sind oder bei-

spielsweise die automatische Paket- und Briefverteilung ermöglichen.

Codes für die Identtechnik unterliegen verschiedenen Anforderungen, die teils nur

durch Kompromisslösungen zu erfüllen sind. Die wichtigsten Anforderungen sind:

– Eindeutigkeit,

– geringe Zeichenlänge,

– leichte Erlernbarkeit und Anwendbarkeit sowie

– hohe Sicherheit.


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Gerade die Sicherheit eines Codes, die bedeutet, dass etwaige Fehler bei der Codie-

rung oder bei der Übertragung durch die Leseeinheit erkannt und möglichst korrigiert

werden, ist nur durch einen erhöhten Platzbedarf und/oder einen erweiterten Zei-

chenvorrat zu erzielen. Gebräuchliche Methoden der Fehlersicherung sind die Ver-

wendung von Paritätsbits und Prüfziffern. Beide Möglichkeiten gestatten zwar eine

Gültigkeitsprüfung der übertragenen Nutzzeichen, bedeuten aber eine Erweiterung

der Nutzinformation um zusätzliche Zeichen.

Ein Paritätsbit ermöglicht eine Kontrolle der Anzahl der in einem empfangenen Zei-

chen gesetzten Bits, z. B. dunkle Module in Barcodes. So kann beim Senden der

Nutzzeichen durch Anhängen eines Paritätsbits erreicht werden, dass immer eine

gerade Anzahl an gesetzten Bits übertragen wird. Ist die Anzahl der gesetzten Bits

auf der Empfängerseite dagegen ungerade, ist sofort ein Fehler zu erkennen. Jedoch

können mehrere Bitfehler bei einer Zeichenübertragung die zu prüfende Parität wie-

der herstellen. Aufgrund der geringen Sicherheit dieser Prüfmethode nutzen viele

Codes wie etwa Barcodes zusätzliche Prüfziffern (Kapitel 5.2.2). Über einen festge-

legten mathematischen Algorithmus kann ein Lesesystem aus den empfangenen

Nutzzeichen einer Information eine Ziffer ermitteln, die mit der ebenfalls übertrage-

nen Prüfziffer übereinstimmen muss. Auch bei dieser Methode können einzelne Feh-

ler nicht erkannt werden, jedoch mit deutlich niedrigerer Wahrscheinlichkeit.

Der Sicherheitsaspekt stellt zudem Anforderungen an den Datenträger. Die in der

Identtechnik überwiegend benötigten, nicht-programmierbaren, d. h. nicht beschreib-

oder korrigierbaren, Datenträger werden nach Belegen und Ausweisen unterschie-

den. Im Gegensatz zu Belegen, die mit einer kurzen Verwendungsdauer und -fre-

quenz meist nur eine geringe Bedeutung besitzen, sind Ausweise wegen der meist

hohen Verwendungsdauer und -frequenz sowie Wichtigkeit der codierten Daten be-

sonders stabil und sicher gegenüber Manipulation oder Datenverlust zu fertigen.

Zur Erläuterung der spezifischen, von der Codierungsform und der jeweiligen Appli-

kation abhängigen Lesesysteme wird auf die angegebene Literatur verwiesen.

5.2.2 Barcodetechnik als Vorbild für magnetische Codierung

Das Prinzip der Barcodetechnologie (engl. bar: Balken, Strich) geht auf ein US-

amerikanisches Patent zurück, das bereits im Jahre 1949 angemeldet wurde. Der


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damalige Mangel an den früher zudem sehr teuren elektronischen Bauelementen,

die zur Erfassung und Auswertung dieser optischen Codierungsform benötigt wur-

den, verhinderte eine Ausweitung von Barcodeanwendungen über den militärischen

Bereich hinaus. Erst mit der Mikroprozessortechnologie entstanden für diese Codier-

form Praxisanwendungen, die bis heute zur Entwicklung von mehr als 200 verschie-

denen Barcodes führten. Obwohl nur die Interpretation anwendungsspezifisch ist,

erlangten nur wenige Barcodes eine Bedeutung für ein breites Spektrum in der Pra-

xis – z. B. Code 2/5, Code 39, EAN-Codes, PDF 417 oder Matrix-Codes [JES-00].

Typische Einsatzfelder sind derzeit die Produktidentifikation bei Kassiervorgängen in

Warenhäusern, die industrielle Lagerhaltung, die Logistik oder die Materialverfolgung

und -sortierung in (teil-)automatisierten Fertigungsprozessen. Ebenso dienen Barco-

des auf Ausweiskarten zur Personenidentifikation, zur Katalogisierung in Bibliotheken

und Videotheken oder zur Identifikation von Blutkonserven in der Medizin.

Barcodes bestehen aus einer begrenzten Anzahl optisch unterscheidbarer Zeichen,

die jeweils aus alternierenden Folgen dunkler und heller Striche mit teilweise unter-

schiedlicher Breite zusammengesetzt sind. Die Anzahl unterschiedlicher Breiten er-

laubt eine Klassifizierung der Barcodes in Zwei- und Mehrbreitencodes, deren Vorteil

eine geringere Barcodelänge infolge der erhöhten Informationsdichte ist.

Den prinzipiellen Aufbau eines Barcodefeldes verdeutlicht Bild 5.1 anhand einer Bei-

spielinformation im Format des Mehrbreitencodes EAN 13 [DIN-96].

Bild 5.1: Grundaufbau eines Barcodefeldes am Beispiel des EAN 13


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Das Barcodefeld besteht aus definierten Symbolen und Bereichen:

– Element: Einzelner Strich oder einzelne Lücke in einem Barcode. Ein Ele-

ment ist ein ganzzahliges Vielfaches eines Moduls. In so genannten Zwei-

breitencodes bestehen Elemente aus maximal zwei Modulen, in Mehrbrei-

tencodes variiert die Modulzahl zwischen 1 und heute üblicherweise 4.

– Modul: Schmalstes Element eines Codes mit definierter Breite in Millimetern.

– Zeichen: Durch die einem Code zugrunde liegende Abbildungsvorschrift

festgelegte, alternierende Elementfolge aus Strichen und Lücken zur Codie-

rung alphanumerischer Zeichen und Sonderzeichen. Linksbündige Zeichen

beginnen, rechtsbündige Zeichen enden mit einem Strich.

– Ruhezone: Helle, unbeschriftete Zone vor und hinter – teils auch ober- und

unterhalb – der Strichcodierung, die zur Abgrenzung des Codes von ande-

ren Darstellungen auf dem Träger dient, um einen fehlerfreien Leseprozess

zu ermöglichen. Die Ruhezone muss der 10- bis 15-fachen Modulbreite X

entsprechen, bei Scanneranwendungen mindestens 2,5 mm bzw. 6,5 mm.

– Nutzzeichen: Zeichen, welche die Information enthalten. Die Nutzzeichen-

zahl in einem Barcodefeld ist codeabhängig und meist festgelegt.

– Start-/Stoppzeichen (Randzeichen): Codespezifische, unterschiedliche Ele-

mentfolgen, die Anfang bzw. Ende des Barcodefeldes markieren. Die Struk-

tur ermöglicht die Codeerkennung und die Lesbarkeit in beiden Richtungen.

– Trennzeichen: Zeichen, das zur Unterteilung verschiedener Informationen in

einem einzigen Barcodefeld dient. Trennzeichen sind ebenso wie Randzei-

chen codespezifisch und weisen als optisches Merkmal üblicherweise eine

größere Barcodehöhe als die benachbarten Nutzzeichen auf.

– Klartextfeld: Mit wenigen Ausnahmen unmittelbar unter dem Barcode ange-

ordneter Bereich, der die strichcodierte Information zusätzlich in Klarschrift

zeigt. Dadurch ist bei fehlerhafter Lesung des Strichcodes eine manuelle

Dateneingabe in das verarbeitende System möglich. Zur Darstellung ist übli-

cherweise eine OCR-Schrift (vgl. Kapitel 5.2.1) vorgeschrieben.

Der EAN 13 (Bild 5.1) dient zur Darstellung der Europäischen Artikel Nummerierung,

die für jede unterscheidbare Verkaufseinheit aller Ge- und Verbrauchsgüter im Ein-

zelhandel unverwechselbar vergeben und – falls möglich – sichtbar auf der Ware


103

und/oder der Warenverpackung abgedruckt wird. Die Nummerierung ermöglicht ne-

ben der eindeutigen Identifikation eines Produktes eine datenbankorientierte Lager-

haltung und Preiszuordnung, die insbesondere vorteilhaft für Kassiervorgänge in Wa-

renhäusern eingesetzt wird. Die EAN wird vom Hersteller des Artikels auf Grundlage

der Basisnummer frei vergeben. Die Basisnummer besteht aus der Länderkennzahl

und der Betriebsnummer des Herstellers, die von der zuständigen Vergabeorganisa-

tion eines Landes einmalig zugeteilt wird. In Deutschland vergibt die Centrale für

Coorganisation GmbH (Länderkennzeichen 40 – 43) die sog. bundeseinheitliche Be-

triebsnummer (bbn) [CCG-77a]. Der EAN 13 umfasst zwei rechtsbündige Zeichen-

sätze A und B mit unterschiedlicher Parität sowie einen linksbündigen Zeichensatz C,

die jeweils die Abbildung der Ziffern 0 – 9 gestatten. Während Zeichensatz C aus-

schließlich zur Codierung der 5-stelligen Artikelnummer dient, codieren Kombinatio-

nen aus den Zeichensätzen A und B die Herstellernummer. Die Paritätsfolge dieser

Nummer ergibt die nicht strichcodierte 13. Stelle der EAN, welche die erste Ziffer des

Länderkennzeichens beinhaltet (vgl. Bild 5.1) [CCG-77b, JES-00]. Der EAN 13 ist ein

selbst prüfender Barcode mit einer Prüfziffer, die nach einem Modulo 10-Algorithmus

aus den 12 Nutzziffern berechnet und an der 1. Stelle eingetragen wird, Tabelle 5.1.

Tabelle 5.1: Berechnung der Prüfziffer des Barcodes EAN 13 nach Bild 5.1

Codestelle 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

Nutzziffer (Ni) 4 0 1 2 3 4 5 9 8 7 6 5

Gewichtung (Gi) 1 3 1 3 1 3 1 3 1 3 1 3

Produkt (Pi = Ni x Gi) 4 0 1 6 3 12 5 27 8 21 6 15

Summe (S = ∑ Pi) 108

Prüfziffer (PZ = 10 – (S Mod 10) 2

EAN-Codes können um ein so genanntes EAN-Addon (auch: EAN-Addendum) er-

weitert werden. Solche 2- oder 5-stelligen Zusatzcodes, die keine Prüfziffer besitzen,

finden Verwendung bei der Codierung von Presseerzeugnissen: 5-stellige Addons

enthalten den Ladenverkaufspreis von Büchern, 2-stellige Addons die Folgenummer

von Zeitschriften und Zeitungen.

Barcodes dienen im Wesentlichen zur Identifikation von Objekten. Informationen zu

diesen Objekten sind oft nur über eine Datenbank zugänglich, deren Einträge die

Codes referenzieren. Sollen große Informationsmengen strichcodiert werden, so sind


104

entweder Barcodes mit einem umfangreichen alphanumerischen Zeichenvorrat

und/oder ausreichend große Druckflächen zur Darstellung nötig. Hier stoßen lineare

Barcodes (1D-Codes) schnell an ihre Kapazitätsgrenzen, so dass zusätzlich zweidi-

mensionale Codes entwickelt wurden: Stapel- und Matrix-Codes codieren bis zu ei-

nigen tausend Zeichen auf wenigen Quadratzentimetern andere nutzen zusätzlich

verschiedene Farben, um umfangreiche Informationen zu verdichten, Bild 5.2.

Bild 5.2: Vergleich von 1D- und 2D-Barcodes anhand einer Beispielinformation Inhalt der Beispielinformation: „Universität Duisburg-Essen“

Für das maschinelle Lesen von Barcodes existieren zahlreiche verschiedene opti-

sche Techniken, die abhängig von der Praxisanwendung eingesetzt werden. Mobile

oder stationäre Systeme wie Lesestifte, Laser-, CCD-Zeilen- und CCD-Matrix-Scan-

ner sind heutzutage technisch derart ausgereift, dass ein schnelles, sicheres und

omnidirektionales Auslesen aller gebräuchlichen Barcodes gewährleistet ist. Allen

Verfahren gemeinsam ist die Wandlung der an den hellen bzw. dunklen Barcode-

Segmenten auftretenden Reflexionen bzw. Absorptionen des abgestrahlten Lichts

mittels Fotozellen in elektrische Spannungsschwankungen. Die Aufbereitung und

Konvertierung der elektrischen Signale in binäre Zeichen ermöglicht die Decodierung

und elektronische Weiterverarbeitung der Informationen, Bild 5.3. Bezüglich einer

Erläuterung der Lese- und Decodierverfahren sowie der zugrunde liegenden opti-

schen Effekte wird auf die Literatur verwiesen, da sie wie die Drucktechniken nicht

Gegenstand dieser Arbeit sind, z. B. [BUR-90, MES-99, VIR-92].


105

Bild 5.3: Erfassung, Auswertung und Verarbeitung optischer Barcodes

Optische Barcodesysteme sind in nahezu allen Bereichen der Identtechnik etabliert.

Gerade die einfache und preiswerte Herstellung codierter Etiketten zeichnet diese

Codierform für eine Kennzeichnung von Einzel- und Massenprodukten mit wenigen

Informationen aus. Dennoch ist die optische Erfassung codierter Daten in einigen

Praxisfällen ungünstig oder ungeeignet, vgl. Kapitel 5.4.1. Für diese Fälle ist eine

preiswerte Codierform notwendig, die Standardcodes der optischen Identtechnik nut-

zen und deren prinzipabhängiges Erfassungssystem an bestehende Auswerte- und

Verarbeitungssysteme (Bild 5.3) adaptiert werden kann, Kapitel 5.3.

5.3 Codes aus magnetisch leitenden Elementen

5.3.1 Eindimensionale Codierung

Eine magnetische Codierung auf Basis strukturierter Komponenten galvanomagneti-

scher Sensorsysteme bietet im Anwendungsfeld der Identtechnik vor allem unter

dem Aspekt der Fälschungssicherheit einer Codierung eine Alternative zu den opti-

schen Barcodes. Strukturierte, magnetisch leitende Elemente aus hochpermeablen

Materialien, in Anlehnung an optische Barcodes zu Codemustern zusammengesetzt,

sind mit vorgespannten galvanomagnetischen Sensorelementen zu erfassen. Die

Codemuster bilden als Bezugselement(e) nach Kapitel 2.3.2 mit der Leseeinheit aus

Sensorelement und Permanentmagnet das galvanomagnetische Sensorsystem.


106

Magnetische Codes aus strukturierten Elementen (M-Codes; magnetische Struktur-

codes) sind in verschiedenen Varianten realisierbar. Eine triviale Ausführung stellt

die Nachbildung von 1D-Barcodes aus magnetisch leitenden Metallstreifen dar. Dazu

eignen sich besonders dünne Bleche oder Folien aus weichmagnetischen Werkstof-

fen mit einer hohen relativen Permeabilität, d. h. 1r >>µ . Im Rahmen erster prakti-

scher Versuche wurden so genannte Hasberg-Streifen (Material: Kohlenstoffstahl CK

101; Werkstoffnr. 1.1274 nach DIN 17222; µr,max = 413; vergütet; Dicke d = 0,1 mm)

eingesetzt, die eine ausreichende mechanische Festigkeit trotz einfacher chemischer

und mechanischer Strukturierbarkeit aufweisen. Im Hinblick auf eine Massenferti-

gung bietet dieser Federstahl eine hohe Verfügbarkeit bei niedrigem Preis.

Eindimensionale M-Codes ermöglichen, sofern ein Helligkeitsunterschied zwischen

den Oberflächen der Metallstreifen und der Zwischenräume besteht, sowohl eine

magnetische als auch eine optische Erfassung. Auf diese Weise ist z. B. eine Kon-

trolle optisch gelesener Barcodes denkbar. Werden die Codes mit einer dünnen, un-

magnetischen Schicht aus nicht-transparentem Material abgedeckt, entsteht ein un-

sichtbarer, daher nahezu nicht manipulierbarer Code, der beispielsweise Informatio-

nen für eine Elektronische ArtikelSicherung (EAS) beinhalten könnte; siehe auch Ka-

pitel 5.4.2. Das Ausleseprinzip bei M-Codes verdeutlicht die Darstellung in Bild 5.4.

Bild 5.4: Anordnung und Umwandlung eindimensionaler M-Codes vS – Sensorgeschwindigkeit; X – Modulbreite; d – Elementdicke


107

Ein magnetisch vorgespannter Hall-Sensor wird so über die Streifenanordnung ge-

führt, dass einzelne Metallstreifen positionsabhängig die in der Sensorebene senk-

recht stehende Komponente des magnetischen Feldes beeinflussen. Die Folge mag-

netisch leitender und nicht-leitender Streifen wird so in eine Folge elektrischer Span-

nungswechsel, deren jeweilige Impulsbreite proportional zur Breite eines Elements

und abhängig von der Sensorgeschwindigkeit vS ist, gewandelt. Der schmalste

Spannungsimpuls kennzeichnet hier die Modulbreite X des Codes, vgl. Kapitel 5.2.2.

Bei manuell geführten Sensoren ist eine konstante Lesegeschwindigkeit vS = const.

nur schwer zu erreichen. Vor allem die Beschleunigungsphase muss vor dem Beginn

der Codestruktur beendet sein. Liegt eine variable Geschwindigkeit vS = ƒ(x) vor, so

variiert bei gleichen Elementbreiten die Dauer der gemessenen Spannungsimpulse,

Bild 5.5a. Wird das Toleranzfeld der Sensorgeschwindigkeit vTol überschritten, so

werden die elektrischen Signale bezüglich der Breite der Metallstreifen falsch inter-

pretiert, Bild 5.5b. Diese Problematik ist von der Erfassung optischer Barcodes mit

manuell geführten Lesestiften o. ä. bekannt [VIR-92]. Die Toleranzfeldbreite sinkt mit

steigender Anzahl gültiger Elementbreiten eines Mehrbreitencodes.

Bild 5.5: Einfluss der Sensorgeschwindigkeit vS auf das Lesen von M-Codes a) Impulsdauer t beim „Lesen“ eines Moduls für verschiedene Sensor-Geschwindigkeiten vS b) Geschwindigkeitsabhängige Interpretation der Spannungsimpulse U(x) vS0 – Normalgeschwindigkeit (= Geschwindigkeit bei t0); vTol – Toleranzfeld für die Sensorgeschwindigkeit vS

Die Amplituden der Sensorspannungen sind indes kein eindeutiges Indiz für die Brei-

te b eines Codeelements. Obwohl mit der Breite eines Metallstreifens auch dessen

Volumen variiert, kann die Änderung der relevanten magnetischen Feldkomponente

Bz in der Sensorebene (vgl. Kapitel 2.2.2) und damit die Änderung der Sensorspan-

nung ∆UH vernachlässigbar sein, Bild 5.6. Hier sind weitere Untersuchungen bezüg-

lich des Einflusses der Material- und Geometrieeigenschaften des verwendeten

Permanentmagneten notwendig.


108

Bild 5.6: Einfluss der Elementbreite b auf die Signalspannung UH Gemessene Hall-Spannung UH verstärkt; µr, max – maximale relative Permeabilität

5.3.2 Zweidimensionale Codierung mit strukturierten Elementen

Unter Ausnutzung der Variationsparameter Anordnung, Anzahl und geometrische

Gestalt nach Kapitel 2.3.2 für Topologie-Strukturen von Sensorsystem-Komponenten

ergeben sich für die Informationscodierung mit magnetisch leitenden Elementen An-

sätze zur Bildung komplexer Strukturen, die zu zwei- und mehrdimensionalen Codes

führen. Diese ermöglichen eine räumliche Verdichtung der codierten Informationen.

Bild 5.7 zeigt einführend für zweidimensionale M-Codes das Beispiel eines Bezugs-

elementes, dessen geometrische Gestalt eine gestufte Oberfläche aufweist. Ein im

Abstand a vom Fußpunkt des Bezugselementes geführter, vorgespannter Sensor

wandelt diese Geometriestufung in einen elektrischen Spannungsverlauf UH(x) mit

unterscheidbaren Niveaus Ui, die bereits die Codierung definierter Zeichen bzw. dis-

kreter Informationen erlauben. Die Stufung lässt jedoch im Hinblick auf eine mög-

lichst geringe Gesamthöhe des Bezugselementes kaum messtechnisch differenzier-

bare Spannungsniveaus Ui zu, so dass nur wenige Zeichen derartig codierbar sind.

Bild 5.7: Zweidimensionaler M-Code mit gestuftem Bezugselement a) Gestuftes Bezugselement als strukturierter magnetischer Code b) Prinzipieller Spannungsverlauf UH(x) mit stufenabhängigen Spannungsniveaus Ui a – Abstand zwischen Fußpunkt des Bezugselements und Sensorebene; vS – Sensorgeschwindigkeit


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Eine bedeutende Erweiterung des Zeichenvorrats wird im Vergleich zu gestuften Be-

zugselementen möglich, wenn Codezeichen aus Schichten einzelner Elemente, de-

ren Anzahl und Anordnung variiert, zusammengesetzt werden. Wie bei der Bildung

eindimensionaler M-Codes ermöglichen hier hochpermeable Metallstreifen, jedoch

mit festen geometrischen Abmessungen, den einfachen Aufbau eines galvanomag-

netisch auswertbaren Codes, Bild 5.8.

Bild 5.8: Zweidimensionaler M-Code aus geschichteten Einzelelementen a) Geschichteter M-Code aus vier Schichten b) Beispiel einer Codiervorschrift für einen 4-Schicht-M-Code c) Gemessener Spannungsverlauf UH(x) für das Codebeispiel nach b) d) Reduzierter Code aus b) mit unterscheidbaren Spannungsniveaus Ui gemäß c)


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2D-M-Codes benötigen im Gegensatz zu optischen Barcodes bzw. 1D-M-Codes nur

eine konstante Elementbreite bE, die der Modulbreite X entspricht. Die benötigte

Schichtanzahl Z ist prinzipiell von der zu codierenden Zeichenmenge N abhängig:

Z2N = . (Gl. 5.1)

Gl. 5.1 ist jedoch nur dann zur Berechnung des Zeichenvorrates eines geschichteten

M-Codes zulässig, wenn jedes Modul des Codes ein messtechnisch eindeutig unter-

scheidbares und reproduzierbares elektrisches Spannungsniveau Ui,j am Sensoraus-

gang hervorruft, so dass

0!

UUU jiji >>−=∆ (Gl. 5.2)

für alle i, j mit ji ≠ gilt. Anderenfalls ist eine sichere und eindeutige Interpretation

eines Spannungsniveaus als ein Zeichen einer codierten Information nicht zu ge-

währleisten. In diesem Fall kann nur ein Teil der Module für die Informationscodie-

rung verwendet werden. Die übrigen, nicht oder kaum unterscheidbaren Spannungs-

niveaus bilden die so genannte Pseudoinformation, die zur Fehlerentdeckung bei der

Decodierung verwendet werden kann. Als Richtmaß für die Definition einer Codier-

vorschrift gilt allgemein eine Hamming-Distanz von 2, um Fehler auszuschließen

bzw. eine Fehlerentdeckung zu ermöglichen. Die Hamming-Distanz definiert die Min-

destanzahl der Stellen – bei geschichteten M-Codes sind dies die separierten, mag-

netisch leitenden und nicht-leitenden Elemente – mit unterschiedlicher Belegung zwi-

schen zwei beliebigen Zeichen eines Codes [JES-00].

Neben der Codierung eines Zeichens durch ein einzelnes Modul (M1-Code) sind Co-

diervorschriften denkbar, die zur Codierung eines umfangreichen Zeichenvorrats

mehrere Module benötigen (MM-Codes). Unter der Annahme einer eineindeutigen

messtechnischen Unterscheidbarkeit aller Module – Hamming-Distanz = 1 – können

maximal

( ) 1MZZ 122N−

−⋅= (Gl. 5.3)

Zeichen aus je M Modulen mit Z Schichten gebildet werden.

Die unterschiedlichen Breiten B eines optischen Mehrbreiten-Barcodes lassen sich

hingegen einfach über die Schichtanzahl Z eines MM-Codes adaptieren. Das Beispiel

in Bild 5.9 zeigt dies für einen Zweibreiten-Barcode. Für 2BZ >= übersteigt die


111

Zahl der adaptierbaren Elementbreiten die Anzahl B, so dass nur wenige, deutlich

unterscheidbare Schichtanordnungen benötigt werden. Dies erhöht die Sicherheit der

Codierung, da eine Hamming-Distanz > 2 möglich wird.

Bild 5.9: Adaption eines Zweibreiten-Barcodes durch einen 2-Schicht-MM-Code a) Beispiel einer Codiervorschrift zur Umsetzung der Elementbreiten b) Darstellung der Ziffer „8“ im optischen Code 39 und im doppelschichtigen M9-Code (Zeichen à 9 Module)

Die in diesem Kapitel vorgestellten Möglichkeiten einer Informationscodierung durch

strukturierte, magnetisch leitende Elemente stellen erste Ansätze und Versuche in

diesem Bereich dar. Weiterführende Forschungsarbeiten zu diesem Thema, die den

Rahmen dieser Arbeit bei weitem übersteigen, sind folglich notwendig, um insbeson-

dere zuverlässige Ergebnisse im Bereich der Materialauswahl, der Herstellverfahren

sowie der Konstruktion von Lese- und Auswertesystemen zu erzielen. Erste Ansätze

zur Optimierung von magnetischen Strukturcodes liefert aber bereits Kapitel 5.3.3.

5.3.3 Ansätze zur Optimierung magnetischer Strukturcodes

Im Hinblick auf eine Optimierung der in Kapitel 5.3.1 vorgestellten magnetischen

Strukturcodierung sind prinzipiell zwei Richtungen zu unterscheiden:

(1) Möglichkeiten der Strukturoptimierung

• Die Unterscheidungsfähigkeit einzelner Module lässt sich durch eine räumli-

che Trennung der magnetisch leitenden Elemente bewirken:

a) Nicht-magnetische Zwischenlagen erhöhen den Abstand zwischen dem

Sensor und den einzelnen magnetisch leitenden Elementen in den unte-

ren Schichten. Obwohl auf diese Weise keine großen, zusammenhän-

genden, magnetisch leitfähigen Volumenelemente in den Modulen ent-

stehen – vgl. Darstellungen in Kapitel 2.2.2 zum Einfluss des Volumens

magnetisch leitfähiger Elemente auf den Magnetfeldverlauf in der Sen-

sorebene –, ist eine deutlichere Abstufung der Spannungsniveaus Ui zu


112

erreichen, die aus der Überlagerung der Einflüsse einzelner, auf unter-

schiedliche Schichten verteilter, Elemente resultieren, Bild 5.10a.

b) Nicht-magnetische „Trennwände“ reduzieren erheblich den Einfluss eines

Nachbarmoduls auf die durch das aktuell „gelesene“ Modul hervorgerufe-

ne Änderung des Magnetfeldes und fördern die Exklusivität des elektri-

schen Messsignals, Bild 5.10b. Ferner begünstigen sie das Erkennen von

aufeinander folgenden gleichen Codeelementen. Ein ideales Geometrie-

verhältnis zwischen Modulen und Trennbereichen ist zu bestimmen.

Bild 5.10: Optimierung durch nicht-magnetische Bereiche a) Nicht-magnetische Zwischenlagen b) Nicht-magnetischer Trennbereiche c) Gemessener Spannungsverlauf UH(x) für einen Code nach a) bei Einsatz von nicht-

magnetischen Zwischenlagen und Trennwänden

• Eine Verbesserung der Signalexklusivität kann durch Verwendung von Dau-

ermagneten zur Vorspannung des Sensorelements erreicht werden, deren

Breite bzw. Durchmesser kleiner als die Modulbreite X des Codes ist. Gerade

unter dem Aspekt einer Miniaturisierung der magnetischen Strukturcodes ist

auch der Einsatz flussführender Elemente zu prüfen.

• Die Anzahl Z nutzbarer Schichten bzw. der Einfluss der mit magnetisch lei-

tenden Elementen besetzten Schichten auf den Magnetfeldverlauf kann

durch Verwendung weichmagnetischer Materialien mit unterschiedlichen re-

lativen Permeabilitäten in den einzelnen Schichten gesteigert bzw. gezielt

ausgelegt werden, wodurch im Idealfall die Spannungsniveaus auf definierte

Werte einstellbar sind.


113

(2) Möglichkeiten der Code-Optimierung

• Eine Verbesserung der Lesbarkeit geschichteter magnetischer Strukturcodes

kann wie bei den optischen Barcodes durch Start- und Stoppzeichen erzielt

werden: Definierte Modulkombinationen oder die Verwendung von Modulen

bzw. Codeelementen, die nicht zur Codierung der Nutzinformation benötigt

werden, erlauben dann die Kontrolle auf Vollständigkeit oder ein bidirektiona-

les Lesen der Codes. Ebenso sind Trennzeichen zur Unterscheidung mehre-

rer Informationen in einem einzigen Codefeld empfehlenswert, Bild 5.11.

Bild 5.11: Sonderzeichen zur Optimierung der Lesbarkeit von M-Codes a) Beispiel einer Rand- und einer Trennzeichendefinition bei einem M1-Code b) Start-, Stopp- und Trennzeichendefinition am Beispiel eines M2-Codes (Zeichen à 2 Module)

• Die Optimierung der Sicherheit von M-Codes ist ebenso wie bei optischen

Barcodes auf mindestens zwei Arten vorstellbar:

a) Prüfung der Parität eines Codeelements. „Gerade Parität“ bedeutet, dass

Codeelemente eine gerade Anzahl magnetisch leitender Schichten besit-

zen, während ein Codeelement mit „ungerader Parität“ eine ungerade An-

zahl magnetischer Segmente aufweist. Somit ist nur eine begrenzte Aus-

wahl an Spannungsniveaus zugelassen, andere detektierte Spannungsni-

veaus dienen dann als Fehlerindikator, Bild 5.12a. Im Gegensatz zu an-

deren Codierungen wird kein zusätzliches Paritätsbit benötigt.


114

b) Ausgabe eines Prüfzeichens an einer festgelegten Stelle des M-Codes,

Bild 5.12b. Die Berechnungsalgorithmen können z. B. von den optischen

Barcodes übernommen werden, vgl. EAN 13 in Kap. 5.2.2, Tabelle 5.1.

Bild 5.12: Optimierung der Sicherheit von geschichteten Strukturcodes a) M1-Code aus Codeelementen mit ausschließlich „gerader“ Parität b) M1-Code mit Prüfziffer; Berechnung nach Modulo 8-Algorithmus

• Zur Erhöhung der Informationsdichte ist die Definition von Code-Quadern, die

eine 3D-Strukturcodierung darstellen, möglich. Eine Anordnung aus quadrati-

schen, geschichteten Modulen auf einer definierten Fläche bildet eine kom-

plexe, codierte Information, Bild 5.13. Eine 3D-Strukturcodierung umfangrei-

cher Informationen ist interessant, wenn der Code für die geschichteten Ele-

mente anstelle eines reinen numerischen Zeichensatzes einen alphanumeri-

schen Zeichensatz mit Sonderzeichen beinhaltet. Zur Codierung eines Zei-

chensatzes, der aus einem Alphabet lateinischer Groß- und Kleinbuchstaben,

zehn Ziffern und einigen Sonderzeichen besteht, sind nach Gl. 5.1 aber we-

nigstens sieben messtechnisch eindeutig auswertbare Schichten notwendig.

Bild 5.13: 3D-Strukturcodierung mit geschichteten Strukturcodes


115

5.4 Magnetische Strukturcodes für die Praxis

5.4.1 Produktion, Logistik und Handel – Einsatzfelder der Identtechnik

Optische Barcodes sind trotz der flexiblen Einsatzfähigkeit durch zahlreiche Varian-

ten mit unterschiedlichen, im Prinzip frei interpretierbaren Zeichenvorräten unter be-

stimmten Randbedingungen weniger geeignet oder sogar ungeeignet für Anwendun-

gen der Identtechnik. Umgebungseinflüsse wie Schmutz, raue Witterungsverhältnis-

se oder mechanische Kontaktierung können die Lesbarkeit optischer Codes beein-

trächtigen oder verhindern. Gleichzeitig bietet die sichtbare Darstellung eines Codes

Spielraum für gezielte Manipulationen oder Beschädigungen durch Personen bis hin

zur vollständigen Entfernung des Trägerelements. Kritische oder sicherheitsrelevante

Daten werden daher derzeit bevorzugt elektronisch codiert. Für Identifikationsaufga-

ben in Produktion, Logistik und besonders im Handel bedeuten diese Codierverfah-

ren jedoch eine deutliche Kostensteigerung und verlangen Zusatzelemente, die im

Allgemeinen ebenso zu beschädigen oder zu entfernen sind, an den zu kennzeich-

nenden Objekten (Beispiel RFID-Systeme, Kapitel 5.2.1).

Die magnetische Codierung auf Basis strukturierter, magnetisch leitender Elemente

(M-Codes) stellt in den von optischen Barcodes dominierten Anwendungsbereichen

der Identtechnik sowohl eine Alternative als auch eine Ergänzungsmöglichkeit dar.

M-Codes sind weitgehend unempfindlich gegenüber Umgebungseinflüssen und er-

möglichen in einem magnetfeldfreien Bereich eine sichere und nahezu dauerhafte

Codierung von Informationen. Die Integration der sehr klein herstellbaren M-Codes in

unmagnetische Bereiche von Produktgehäusen, Verpackungen oder Etiketten er-

möglicht das unsichtbare Anbringen eines Codes beispielsweise zur Produktidentifi-

kation oder Artikelsicherung. Diese als Inlets zu bezeichnenden M-Codes liegen un-

sichtbar unter der Oberfläche und sind so einem unbefugten Zugriff entzogen. Ein

zufälliges oder gezieltes Entfernen oder Zerstören sowie eine Manipulation des Co-

des ist ohne Beschädigung des Produkts, der Verpackung oder des Etiketts ausge-

schlossen. Ermöglicht der Code eine individuelle Identifikation von Produkten, so ist

beispielsweise in Warenhäusern jederzeit eine Prüfung möglich, ob eine vermeintlich

gekaufte Ware tatsächlich bezahlt wurde. Diese inaktive Form der EAS bietet einen

zusätzlichen Schutz neben den bekannten, oft nur deutlich sichtbar anzubringenden

RFID-Sicherungsetiketten; „Unsichtbar schützt doppelt“ [SAU-01].


116

Voraussetzung für das korrekte Lesen von Inlets ist, dass ähnlich wie bei optischen

Barcodes eine so genannte Ruhezone existiert, in der sich keine magnetisch leiten-

den Materialien, die ihrerseits den Verlauf des magnetischen Feldes in der Sensor-

ebene beeinflussen würden, befinden. Unauffällige Markierungen auf der Oberfläche

des Trägers erleichtern die Positionierung eines mobilen Lesesystems, Bild 5.14.

Bild 5.14: Beispiel eines objektintegrierten M-Codes (Inlet) zur Produktidentifikation

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für galvanomagnetisch lesbare Code-Inlets

bieten Ausweiskarten. Die auf herkömmlichen Magnetstreifenkarten gespeicherten

Informationen können unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes leicht be-

schädigt oder gelöscht werden. M-Codes stellen dagegen eine dauerhafte Codierung

dar, die resistent gegen externe Magnetfelder ist. Auch bei Ausweiskarten mit Barco-

de lohnt sich aufgrund der bereits genannten Nachteile optischer Codes eine Absi-

cherung der Informationen durch zusätzliche Codierung mittels integrierter M-Codes.

Darüber hinaus sind unsichtbare M-Codes zur Codierung geheimer Informationen

geeignet. Sofern die Inlets unentdeckt bleiben, ist der Charakter einer verdeckten

Kommunikation gegeben. Auch die Entschlüsselung der codierten Information ist nur

bei Kenntnis der Codiervorschrift sowie der Materialeigenschaften der verwendeten

Metallstreifen möglich. Die Abhängigkeit der Spannungsniveaus am Ausgang der

Sensorelektronik und damit die Interpretierbarkeit eines Codes von den Materialei-

genschaften der magnetisch leitenden Metallstreifen einerseits und des Permanent-

magneten zur Vorspannung des Sensors andererseits macht geschichtete magneti-

sche Strukturcodes ferner weitgehend fälschungssicher.


117

5.4.2 Prototyp eines mobilen Lesesystems

Zur Nutzung der Vorteile einer magnetischen Codierung mit M-Codes in der Ident-

technik sind der jeweiligen Praxisumgebung angepasste bzw. am Einsatzzweck ori-

entierte Lesesysteme notwendig. Während bei der Personenidentifikation stationäre

Geräte zum Lesen der codierten Information an einer definierten Position auf Aus-

weiskarten vorteilhaft sind, ist für die Produktidentifikation in Handel und Logistik der

Einsatz mobiler, personengesteuerter Geräte aufgrund der freien und variablen Co-

de-Positionierung sinnvoll. Für erste Tests im Rahmen dieser Arbeit wurde ein mobi-

les Lesesystem mit wenigen Grund- und Zusatzfunktionen entwickelt, Bild 5.15a.

Neben der Erfassung und Auswertung von M-Codes unter Verwendung gespeicher-

ter Codiervorschriften für ein- und zweidimensionale Codes nach Kapitel 5.3.1 ist ein

Lernmodus für codierte Zeichensätze empfehlenswert. Im Lernmodus findet die Zu-

ordnung eines Zeichens bzw. einer Information zu einem Spannungsniveau Ui am

Ausgang der dem Sensorelement nachgeschalteten elektronischen Signalaufberei-

tung statt. Das Gerät kann so zum Lesen verschiedener Codes verwendet werden.

Ein Datenspeicher für decodierte Informationen sowie eine Schnittstelle zu einer Da-

tenverarbeitungseinheit (PC – Personal Computer) gestatten eine komfortable Nut-

zung. Der Prototyp „FerroScan“ eines solchen mobilen Lesesystems ist abschließend

in Bild 5.15b dargestellt; nähere Informationen zur Realisierung gibt [SON-01].

Bild 5.15: Mobiles, handgeführtes Lesesystem für magnetische Strukturcodes a) Gerätekonzept und Funktionsüberblick b) Prototyp „FerroScan“ mit großem Versuchs-Codemuster

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5 Codierung diskreter Informationen am Beispiel der ...duepublico.uni-duisburg-essen.de/.../Derivate-5526/09Kapitel5.pdf · DIN-89], die u. a. für das Klartextfeld von Barcodes vorgeschrieben